В 2020 году Нобелевская премия по химии достается Эммануэль Шарпантье и Дженнифер А. Дудна за открытие молекулярного механизма, лежащего в основе CRISPR-Cas, и использование этой технологии в качестве генетического инструмента. Хотя CRISPR-Cas нашел множество применений в биотехнологии и медицине, он возник в природе, где он функционирует как микробная иммунная система.
Так же, как наша иммунная система запоминает патогены, которым мы подвергались в более раннем возрасте, CRISPR-Cas дает микроорганизмам возможность быстро реагировать на вирусы, с которыми они ранее сталкивались, сохраняя небольшое количество вирусной ДНК в своем собственном геноме.
CRISPR-Cas естественным образом встречается у большинства бактерий, а также у так называемых архей.
При изучении происхождения жизни на Земле особенно интересны археи, поскольку они образуют своего рода «недостающее звено» между бактериями и клетками высших эукариот, таких как наша. Таким образом, исследования этих организмов могут дать нам важную информацию о том, как иммунная система CRISPR-Cas развивалась за сотни миллионов лет.
Новые результаты показывают, почему токсины присутствуют в генах CRISPR-Cas
Новые результаты исследований исследователей Департамента молекулярной биологии и генетики Орхусского университета, полученные в тесном сотрудничестве с ведущими исследователями из Копенгагенского университета и Университета Старого Доминиона в Вирджинии, США, и опубликованные в двух статьях в ведущих международных журналах: – теперь проливают новый свет на то, как CRISPR-Cas возник на ранних этапах развития жизни на Земле, а также на то, как эта иммунная система постоянно адаптируется к новым вызовам.
Исследовательская группа из Орхуса под руководством доцента Дитлева Э. Бродерсен – обнаружил, как часть CRISPR-Cas, отвечающая за включение чужеродной вирусной ДНК в собственный геном микроорганизма, произошла от другого, очень распространенного типа генов у бактерий и архей, которые неожиданно кодируют токсины.
Таким образом, новые знания дают представление об эволюционном процессе, в котором гены токсинов присутствовали на ранних этапах развития жизни и со временем были интегрированы и адаптированы как часть модулей CRISPR-Cas, которыми многие микроорганизмы обладают по сей день. Впервые у нас есть ответ на вопрос, который долгое время озадачивал исследователей, а именно: почему гены токсинов существуют среди генов CRISPR-Cas?.
«Это понимание того, как определенные белки« рециркулируются »в нескольких различных ситуациях, чрезвычайно полезно для исследователей, – объясняет Дитлев Бродерсен, – потому что, когда мы понимаем весь набор функций, которыми обладают определенные белки, это открывает возможность использования их как специфические инструменты в генной инженерии. Например, можно было бы заставить болезнетворные бактерии направлять свои системы CRISPR-Cas на себя и таким образом избегать заражения."
Постоянная битва между микроорганизмами и вирусами
В другой статье, опубликованной в журнале Nature Communications, исследователи описывают новые открытия, которые дают представление о постоянной битве между микроорганизмами и вирусами, которые представляют их злейших врагов.
В луже кипящей грязи в Исландии живет особый организм, архея под названием Sulfolobus islandicus, которая за миллионы лет приспособилась к жизни в этом месте с постоянной температурой 80-100 ° C и кислотностью, соответствующей кислотности желудочного сока. представляет собой одно из самых негостеприимных мест на земле.
Но даже несмотря на то, что Sulfolobus выбрал очень непривлекательное место для жизни, он по-прежнему сталкивается с сопротивлением, не в последнюю очередь со стороны маленьких палочковидных ДНК-вирусов, которые постоянно протыкают клетки и стреляют в них чужеродной ДНК, в результате чего Sulfolobus взрывается. множество новых вирусных частиц. Чтобы избежать этой участи, Sulfolobus разработал защиту CRISPR-Cas, с помощью которой он хранит небольшие части вирусной ДНК в своем собственном геноме, чтобы противостоять этим атакам.
Anti-CRISPR – опрокидывает корзину
Но в постоянно обостряющейся битве между жизнью и смертью вирус разработал контрмеру: ему удалось справиться, создав небольшое оружие, анти-CRISPR-белок, который, как и в случае с яблочной тележкой, блокирует реакцию CRISPR-Cas у Sulfolobus.
Новые результаты от Ditlev E. Группа Бродерсена в Орхусском университете, созданная в тесном сотрудничестве с доцентом Сюй Пэн с факультета биологии Копенгагенского университета, теперь впервые показывает, как эта битва происходит в кипящих бассейнах.
Исследователи смогли визуализировать, как белок анти-CRISPR прочно связывается с крупнейшим белком системы CRISPR-Cas, тем самым напрямую предотвращая его разрушение вирусной ДНК.
Таким образом, вирус обходит – по крайней мере на некоторое время – блокировку CRISPR-Cas. Новые результаты дают ученым представление о гонке вооружений, которая постоянно происходит в природе, и о том, что эволюция жизни на самом деле представляет собой постоянную борьбу за выживание.
– «Теперь мы знаем детали того, как белок анти-CRISPR может блокировать иммунную систему CRISPR-Cas, поэтому вопрос в том, каким будет следующий шаг в этой гонке вооружений», – говорит Дитлев Бродерсен. «Возможно, микробы начнут формировать белки анти-анти-CRISPR, третий тип протеина, который может препятствовать работе протеина анти-CRISPR, но мы еще не нашли их у Sulfolobus archaea. Так что прямо сейчас мяч вернулся на половину поля Сульфолобус, – говорит Дитлев Бродерсен, – а холодная война всегда тёплая в кипящем бассейне."